Nghiên cứu ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy (tt)

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Bánh lái đối tượng điều khiển, nhằm thay đổi hướng chuyển động tàu thủy Bánh lái đặt sau chân vịt, để chuyển đổi lượng dòng chảy thành lực bẻ lái Vì nói tượng vật lý xung quanh vấn đề trao đổi lượng dòng chảy bánh lái ảnh hưởng lớn đến lực bẻ lái tàu thủy Một tượng phổ biến quan trọng xâm thực bánh lái Hiện tượng diễn biến phức tạp ảnh hưởng rõ nét đến lực bẻ lái, đặc biệt tàu thủy liên tục thay đổi chế độ làm việc, điều động tàu, tàu chạy với tốc độ cao, Vậy sở khoa học làm rõ vấn đề xâm thực bánh lái, phân tích ảnh hưởng chúng đến lực bẻ lái tàu thủy? Từ đề xuất giải pháp nhằm giảm thiểu tác hại xâm thực bánh lái gây Hơn nữa, giải vấn đề giúp cho chuyên gia lĩnh vực hàng hải có thuật giải điều khiển tàu thủy đủ thông minh để hạn chế ảnh hưởng xâm thực bánh lái, góp phần nâng cao an toàn hàng hải Xuất phát từ lý nghiên cứu sinh (NCS) lựa chọn thực đề tài luận án tiến sĩ là: “Nghiên cứu ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy” Việc tính tốn mơ nghiên cứu thực nghiệm triển khai Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, kết hợp nghiên cứu thực địa thực tuyến luồng hàng hải Hải Phòng tuyến luồng Sài Gòn, kết hợp tàu lên đà sửa chữa định kỳ Nhà máy Ship Marine Sài Gòn Hơn nữa, NCS kết hợp chặt chẽ vấn đề nghiên cứu luận án tiến sĩ với vấn đề nghiên cứu thực hai đề tài KHCN cấp Bộ Giao thông vận tải, cụ thể: NCS nghiên cứu sử dụng phần kết nghiên cứu hai đề tài KHCN cấp Bộ năm 2017 là: “Xây dựng chương trình tính tốn mơ thử nghiệm số nguyên nhân dẫn đến tai nạn hàng hải tuyến luồng Sài Gịn phục vụ cơng tác đào tạo huấn luyện thuyền viên”, mã số: DT 174030 NCS làm chủ nhiệm đề tài nhóm nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh giá tác động tổ hợp chân vịt- bánh lái đến đặc tính điều khiển hướng chuyển động tàu thủy”, mã số: DT 174003 PGS TS Phạm Kỳ Quang làm chủ nhiệm đề tài, NCS thành viên tham gia số thành viên khác Mục đích nghiên cứu luận án Nghiên cứu ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng xâm thực bánh lái tàu thủy tác động xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Phạm vi nghiên cứu: - Làm rõ sở khoa học tượng vật lý xâm thực bánh lái, nghiên cứu tính tốn mô số tượng này, kiểm chứng số kết nghiên cứu thực nghiệm Từ phân tích ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái; - Lựa chọn sử dụng tàu container M/V TAN CANG FOUNDATION, trọng tải 7040 MT, có 01 chân vịt chiều phải để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Phƣơng pháp nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể: Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sở lý luận xâm thực nói chung xâm thực bánh lái tàu thủy nói riêng; Nghiên cứu sở tốn học tảng tính tốn động lực học dịng chảy CFD để tính tốn mơ vùng xâm thực, từ áp dụng tính tốn mô chi tiết cho bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION bị xâm thực; Nghiên cứu xây dựng mơ hình nghiên cứu phương pháp số quy trình tính tốn mơ ảnh hưởng xâm thực cục mép vào bánh lái xâm thực mép thoát tới lực bẻ lái tàu thủy, tương ứng với tổ hợp đầu vào (ni, i) xuất xâm thực cục Từ áp dụng tính tốn mơ chi tiết cho đối tượng cụ thể bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION bị xâm thực Trên sở kết đạt thực đánh giá ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Nghiên cứu thực nghiệm: Trên hệ thống thí nghiệm (áp dụng theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude với bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION) khảo sát thực địa M/V TAN CANG FOUNDATION, nhằm minh chứng số kết tính tốn mơ xâm thực bánh lái ảnh hưởng xâm thực tới lực bẻ lái tàu thủy Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: Tổng hợp sở lý luận tượng xâm thực bánh lái tàu thủy nhằm đưa mơ hình nghiên cứu Thực xây dựng quy trình tính tốn mơ ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy nói chung Trên sở áp dụng cho đối tượng phạm vi nghiên cứu cụ thể luận án Từ đánh giá tác động xâm thực tới lực bẻ lái tàu thủy giải pháp giảm thiểu tác hại tương ứng đưa trạng thái xâm thực bánh lái tàu thủy theo tham số vận hành Ý nghĩa thực tiễn đề tài: - Kết hợp chặt chẽ sở khoa học lý thuyết đặc thù liên quan đến khoa học chuyên ngành hàng hải với thực tiễn hàng hải Hơn nữa, xây dựng sở khoa học cho chuyên gia lĩnh vực hàng hải, triển khai thuật tốn điều khiển tàu thủy có tính đến ảnh hưởng xâm thực bánh lái - Đóng góp vào khoa học chuyên ngành: Xây dựng phần hệ thống thí nghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm xâm thực bánh lái tàu thủy Chủ động đánh giá có giải pháp phù hợp ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy đặc biệt chế độ điều động tàu Những điểm đóng góp luận án 6.1 Xây dựng giải thuật mơ số tốn 2D tốn 3D cho mơ hình dịng chảy xâm thực bao quanh bánh lái tàu thủy Từ tính tốn mơ chi tiết cho bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION phương pháp BEM, xâu chuỗi 2D ứng dụng CFD phần mềm Fluent-Ansys 6.2 Đưa đặc tính xâm thực bánh lái, ảnh hưởng tới lực bẻ lái trạng thái vận hành với tổ hợp đầu vào (ni, i) Đồng thời xây dựng mơ hình nghiên cứu phương pháp số quy trình tính tốn mơ ảnh hưởng xâm thực cục mép vào bánh lái tới lực bẻ lái, tương ứng tổ hợp (ni, i) xuất xâm thực cục bộ, cụ thể sau: - Chu kỳ (T) tần số dao động (f) lực bẻ lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION là: T = 0,091s f = 11Hz; - Biên độ dao động (A) lực bẻ lái giai đoạn bánh lái xuất xâm thực cục phụ thuộc vào tốc độ dịng chảy góc bẻ lái Đã xây dựng công thức xác định biên độ dao động lực bẻ lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION là: A  k Rtb ; L - Dự báo quy luật lực tác động bánh lái tàu thủy đề xuất khuyến cáo hạn chế ảnh hưởng xâm thực Đưa quy luật biến thiên lực bẻ lái theo thời gian R(t) ảnh hưởng xâm thực cục mép vào bánh lái Kết tính tốn mơ áp dụng cụ thể cho bánh lái M/V TAN CANG FOUNDATION, góc bẻ lái  = 350 vận tốc tàu V = 7,5 m/s 6.3 Phân tích, đánh giá so sánh kết nghiên cứu thực nghiệm với phương án khác liên quan Hơn nữa, nghiên cứu khảo sát thực địa tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, nhằm minh chứng cho số kết tính tốn mơ xâm thực bánh lái ảnh hưởng xâm thực tới lực bẻ lái tàu thủy Kết cấu luận án Luận án gồm 112 trang (không kể phụ lục), gồm phần thứ tự sau: Mở đầu; nội dung (gồm chương); kết luận kiến nghị; danh mục cơng trình khoa học công bố liên quan đến đề tài (8 công trình khoa học); tài liệu tham khảo phụ lục (6 phụ lục) CHƢƠNG TỔNG QUAN ẢNH HƢỞNG XÂM THỰC BÁNH LÁI ĐẾN LỰC BẺ LÁI TÀU THỦY Chương tập trung nghiên cứu tổng quan ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy, cụ thể: Tình hình nghiên cứu giới nước liên quan đến luận án; Cơ sở lý luận xâm thực bánh lái tàu thủy; Lực bẻ lái giai đoạn xâm thực bánh lái tàu thủy giới hạn phạm vi nghiên cứu luận án Tình hình nghiên cứu giới nƣớc liên quan đến luận án: Trên giới: Đã công bố xâm thực từ năm 1980, kể đến: Năm 1985 tác giả J Pierre Franc J Marie Michel công bố phân biệt loại xâm thực, điều kiện xuất xâm thực theo số xâm thực góc đặt cánh Năm 2001, cơng trình khoa học nhóm nghiên cứu A V Pustoshny, S V Kaprantsev, thuộc Viện nghiên cứu tàu thủy Krylov St Petersburg, LB Nga, thiết lập mô hình tốn, tính tốn phân tích tác động động lực học chân vịt, yếu tố ảnh hưởng đến động lực học chân vịt, có xét đến tượng xâm thực số chế độ điều động tàu thủy Năm 2003 cơng trình nghiên cứu nhóm tác giả O Coutier Delgosha J F Devillers thực nghiệm mô số dòng xâm thực bao quanh hydrofoil Năm 2003 tác giả Yoshinori Saito, Ichiro Nakamori Toshiaki Ikohagi (Nhật Bản), tính tốn mơ dịng xâm thực cánh 2D, đưa chu kỳ túi hệ số áp suất, hệ số lực nâng Năm 2009 tác giả Thomas Lücke, Heinrich Streckwall Hamburg, LB Đức, cơng bố nghiên cứu thực nghiệm tính tốn mơ số xâm thực bánh lái “semi spade” mơ tả theo hình 1.1 Hình 1.1 Hình ảnh bánh lái hệ Tại Việt Nam: Do vấn thống thí nghiệm HYKAT, LB Đức đề nghiên cứu xâm thực địi hỏi cơng phu tốn kém, nên nước bước đầu nghiên cứu vài trường đại học, viện nghiên cứu trọng điểm, kể đến: Các cơng trình khoa học, tài liệu thuỷ lực tác giả như: Tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tác giả GS TS Nguyễn Thế Mịch, GS TS Lê Danh Liên, PGS TS Võ Sỹ Huỳnh, PGS TS Nguyễn Thế Đức, PGS TS Nguyễn Thị Xuân Thu, PGS TS Nguyễn Văn Bày, PGS TS Trương Việt Anh, TS Lê Xuân Hoà, TS Lê Thị Thái, đưa chế hình thành xâm thực, tác hại, biện pháp khắc phục thường dùng điển hình cho máy thủy lực cánh dẫn bơm ly tâm, bơm cánh dẫn hướng trục, tua bin nước, nghiên cứu tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy, sử dụng phương pháp tính tốn số ứng dụng cho tốn dịng qua chân vịt tàu thủy có xâm thực không xâm thực,… Tại Trung tâm Bơm, Viện khoa học Thuỷ lợi, tiến hành nhiều thí nghiệm bơm xâm thực bơm, phát xử lý theo hướng tăng khả chống xâm thực cánh bơm Các kết thể rõ cơng trình nhóm tác giả GS TS Nguyễn Thế Mịch, TS Phạm Văn Thu, TS Vũ Văn Duy cộng tác TS Vũ Văn Duy nhóm nghiên cứu, thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, công bố số kết động lực học dòng chảy bao, xâm thực cánh dẫn, tính tốn mơ dịng chảy bao quanh tàu thủy, ứng dụng chương trình CFD để tính tốn mơ phỏng, Rõ ràng, với phạm vi đối tượng nghiên cứu luận án cụ thể, việc nghiên cứu để làm rõ sở khoa học xâm thực bánh lái tàu thủy phân tích, đánh giá ảnh hưởng chúng đến lực bẻ lái, ln mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học thực tiễn chuyên ngành hàng hải không trùng lặp với cơng trình cơng bố trước Cơ sở lý luận xâm thực bánh lái tàu thủy: Trong luận án nghiên cứu chi tiết khái niệm điều kiện xuất xâm thực; Một số loại xâm thực bánh lái; Một số phương trình chủ đạo; Yếu tố ảnh hưởng đến xâm thực bánh lái tàu thủy; Một số profil bánh lái tàu thủy cấu điều khiển Hình 1.2 mô tả tượng xâm thực bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, Hình 1.2 Xâm thực bánh lái tàu NCS khảo sát thực địa tàu lên đà M/V TAN CANG FOUNDATION sửa chữa lớn Nhà máy Ship Marine Sài Gòn, tháng 5/2016 Lực bẻ lái tàu thủy giai đoạn xâm thực bánh lái: Lực bẻ lái tàu thủy (R) xuất góc bẻ lái khác 00 (góc bẻ lái từ 350 trái đến 350 phải) Giai đoạn không xâm thực, xác định lực bẻ lái theo công thức thực nghiệm sau: (1.1) R  577 ARV sin  Trong đó: α - giá trị góc bẻ lái (độ); AR - diện tích tham chiếu bánh lái (m2), tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, AR = 12m2; V - vận tốc dòng chảy bao bánh lái theo phương dọc trục (m/s) Việc xác định V theo (1.1) có số phương pháp sau: - Phương pháp tính tốn mơ CFD với phần mềm Fluent - Ansys; - Hoặc sử dụng công thức thực nghiệm: V = 1,3Vp tàu có chân vịt bánh lái đặt thẳng góc sau chân vịt, phù hợp với tàu M/V TAN CANG FOUNDATION; - Hoặc tiến hành đo giá trị V hệ thống thí nghiệm Đối với giai đoạn bánh lái bị xâm thực sai số cơng thức (1.1) lớn, đặc biệt giá trị lực bẻ lái có tượng dao động giữ nguyên góc bẻ lái tốc độ tàu Trong trường hợp tính lực bẻ lái R theo hệ số lực nâng CL công thức (1.2) R C L ARV 2 (1.2) Trong đó: CL- hệ số lực nâng;  - khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3) Vì vậy, việc xác định lực bẻ lái trực tiếp phương án tính tốn mơ số, thơng qua việc tính tốn mơ trường phân bố áp suất hai mặt bánh lái theo thời gian làm rõ vấn đề (hình 1.3) Trị số áp suất thể cột thị màu tương ứng, từ xác định lực bẻ lái theo bước thời gian chế độ điều động khác a) b) Hình 1.3 Một dạng kết tính tốn mơ phân bố áp suất hệ số áp suất bánh lái tàu thủy khi: a) α = 00; b) α = 300 Kết luận chƣơng 1: Trong chương 1, đạt kết sau: - Phân tích đánh giá chi tiết tổng quan tình hình nghiên cứu cơng trình liên quan đến đề tài luận án nước nước Từ rút kết luận vấn đề nghiên cứu ln có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học đóng góp thực tiễn khoa học chuyên ngành hàng hải khơng trùng lặp với cơng trình nghiên cứu cơng bố; - Hệ thống hóa sở lý luận tượng xâm thực xâm thực bánh lái tàu thủy, sở lý luận lực bẻ lái tàu thủy giai đoạn xâm thực bánh lái tàu thủy; - Giới hạn phạm vi nghiên cứu đề tài luận án: Xây dựng sở toán học phương pháp số để tính tốn mơ xâm thực bánh lái tàu thủy sở tảng CFD Tập trung chủ yếu đánh giá ảnh hưởng xâm thực cục mép vào bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Thực nghiệm hệ thống thí nghiệm Trường Đại học Hàng hải Việt Nam kết hợp với nghiên cứu thực địa nhằm minh chứng số kết sở lựa chọn sử dụng mơ hình theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude với tàu M/V TAN CANG FOUDATION để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm CHƢƠNG TÍNH TỐN MƠ PHỎNG XÂM THỰC BÁNH LÁI TÀU THỦY Chương tập trung tính tốn mơ xâm thực bánh lái tàu thủy với vấn đề sau: Xây dựng mơ hình nghiên cứu sở tốn học; Xây dựng quy trình tính tốn mơ phỏng; Phân tích kết tính tốn mơ Xây dựng mơ hình nghiên cứu sở tốn học: - Mơ hình nghiên cứu: Dựa sở số liệu bánh lái để tính tốn mơ đồng dạng theo tiêu chuẩn Froude với bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION Hệ số đồng dạng hình học 10, đại lượng khác tuân thủ qui luật đồng dạng Froude Sử dụng cấu điều khiển dạng “Semi spade” profil bánh lái theo mẫu NACA - Cơ sở toán học: Sử dụng phương pháp phần tử biên (BEM); Phương pháp xâu chuỗi Fluent - Ansys Xây dựng quy trình tính tốn mơ phỏng: Xây dựng quy trình tính tốn mơ cho tốn 2D phương pháp phần tử biên toán 3D phương pháp sâu chuỗi, với a) b) bước cụ thể theo hình 2.1 Hình 2.1 Quy trình tính tốn mơ phỏng: Đồng thời kết hợp sử dụng a) toán 2D; b) toán 3D CFD với phần mềm Fluent - Ansys Phân tích kết tính tốn mơ phỏng: Kết tính tốn mơ cho toán 2D Để thuận lợi so sánh với kết cơng bố trước, chương trình PCPAN, PCJET, NCS tiến hành tính tốn cho mẫu profil NACA 66 (MOD) (hình 2.2) với thơng số đầu vào cụ thể sau: - Các giá trị a = 0.8, t/c = 0.09, f/c = 0.02; - Giá trị đầu vào với số xâm thực  = 1.10998; - Góc bẻ lái 0 = 40 Từ đó, kết tính tốn mơ nhận Hình 2.2 Hình ảnh mẫu profil so sánh với kết tính tốn trước chương NACA 66 (MOD) trình PCPAN, PCJET thể bảng 2.1 Bảng 2.1 Kết tính tốn mơ so sánh với PCPAN PCJET Số xâm Tỷ số chiều dài vùng xâm thực l Hệ số Chƣơng trình chiều dài dây cung c profil (l/c) lực nâng (CL) thực () Tính tốn 1.10998 0.36250 0.69387 Fluent 1.10998 0.36000 0.6700 PCPAN 1.10998 0.35976 0.78551 PCJET 1.10998 0.36024 0.75817 Kết tính tốn mơ cho mẫu profil NACA 66 (MOD) với thông số đầu vào khác nhau, xét với trường hợp profil NACA 66 MOD,  = 50 số xâm thực  = 0.9; 1.0; 1.1, mô tả theo hình 2.3 Trường hợp khác mơ tả chi tiết luận án a) b) c) Hình 2.3 Kết tính tốn phân bố áp suất kích thước túi profil NACA 66 MOD, góc bẻ lái  = 50, số xâm thực lần lượt:a)  = 0.9, b)  = 1.0, c)  = 1.1 b) a) Hình 2.4 Quan hệ  l/c profil NACA 66MOD khi: a)  = 40, b)  khác Với profil định, chiều dài túi xâm thực l/c, phụ thuộc vào góc bẻ lái 0 số xâm thực  Kết tính tốn mơ cho profil NACA 66MOD biến thiên l/c theo  giá trị góc bẻ lái  theo hình 2.4 Hơn nữa, kết tính tốn mơ theo Fluent - Ansys với tham số đầu vào theo bảng 2.1 cho profil bánh lái tàu thủy giá trị vận tốc tàu V = 7,5 m/s góc bẻ lái α khác Giá trị hiển thị tương ứng cột màu bên trái hình, cụ thể là: Phân bố phần trăm pha hơi; hệ số áp suất trường phân bố áp suất, mơ tả chi tiết theo hình 2.5 Hiển thị vùng xâm thực Hiển thị vùng xâm thực a) b) c) Hình 2.5 Kết tính tốn mơ vận tốc tàu V = 7,5 m/s góc bẻ lái α0 = 350: a) phân bố phần trăm pha hơi; b) phân bố hệ số áp suất; c) phân bố áp suất Phân tích kết nhận từ hình 2.5 nhận xét rằng: Đây trường hợp có tượng xâm thực rõ nét nhất, vì, trường hợp này, với thơng số đầu vào vận tốc tàu góc bẻ lái có giá trị lớn nhất: - Trên hình 2.5a, thấy rõ kích thước túi xâm thực, đạt 100% pha hơi, xuất phát từ mép vào profil đóng kín profil, với chiều dài vùng xâm thực profil 0,175 m Theo phân loại xâm thực cánh dẫn, loại xâm thực cục - Trên hình 2.5 b hình 2.5c, thể hệ số áp suất phân bố áp suất tĩnh profil Vùng xâm thực có giá trị áp suất tĩnh áp suất bão hòa nước 3540 N/m2, dẫn tới hệ số áp suất miền có dạng nằm ngang (gọi chiều dài xâm thực l) Ứng với giá trị vận tốc đầu vào khác nhau, nhận thấy l thay đổi, miền xâm thực mép thoát profil thay đổi theo - Mặt khác, phía mép profil Hình 2.6 Kết mơ phịng vùng tồn vùng xâm thực mô tả chi tiết xâm thực mép profil theo hình 2.6 Thực tương tự, xét trường hợp với giá trị vận tốc đầu vào khác Kết tính tốn mơ cụ thể cho bảng 2.2 Tù nhận xét rằng: Cùng giá trị góc bẻ lái (cụ thể α0 = 350), ứng với giá trị tham số vận tốc đầu vào giảm dần, chiều dài vùng xâm thực profil mép vào giảm dần, đồng thời kích thước vùng xâm thực mép thoát nhỏ theo Bảng 2.2 Kết tính tốn chiều dài vùng xâm thực, góc bẻ lái α = 35 Vận tốc đầu Chiều dài Vận tốc đầu Chiều dài Phân tích kết vào (m/s) xâm thực l (m) vào (m/s) xâm thực l (m) nhận đƣợc 4,5 0,015 6,5 0,097 Tồn xâm thực 5,0 0,025 7,0 0,125 mép thoát 5,5 0,035 7,5 0,175 profil 6,0 0,045 Tương tự, kết tính tốn mơ giá trị nhận được, mơ tả theo hình 2.7 Hiển thị xâm thực mép Hiển thị xâm thực mép a) b) c) Hình 2.7 Kết tính tốn mơ vận tốc tàu V = 7,5 m/s góc bẻ lái α0 = 300: a) phân bố phần trăm pha hơi; b) phân bố hệ số áp suất; c) phân bố áp suất Tổng hợp kết tính tốn mơ trường hợp cho bảng 2.3 Bảng 2.3 Kết tính tốn chiều dài vùng xâm thực, góc bẻ lái α = 30 Vận tốc đầu Chiều dài Vận tốc đầu Chiều dài Phân tích kết vào (m/s) xâm thực l (m) vào (m/s) xâm thực l (m) nhận đƣợc 4,5 0,012 6,5 0,050 Vẫn tồn xâm 5,0 0,015 7,0 0,070 thực mép 5,5 0,025 7,5 0,085 thoát profil 6,0 0,045 Tồn % pha Tồn % pha a) b) c) Hình 2.8 Kết tính tốn mơ vận tốc tàu V = 7,5 m/s góc bẻ lái α0 = 00: a) phân bố phần trăm pha hơi; b) phân bố hệ số áp suất; c) phân bố áp suất Phân tích kết nhận theo hình 2.8, nhận xét rằng: Phân bố áp suất hai phía profil gần hồn tồn đối xứng, nghĩa không tồn lực bẻ lái Tuy nhiên xuất nơi có phần trăm (%) pha khác khơng, cụ thể theo hình 2.8a, số phần trăm pha lớn 16,3% Tổng hợp kết tính tốn profil, nhận xét rằng: Với số giá trị đầu vào không tồn vùng xâm thực, giá trị đầu vào mà xuất xâm thực profil, chia làm hai loại là: Chỉ xâm thực mép thoát vừa xâm thực mép thoát vừa xuất xâm thực cục mép vào Kết hiển thị cụ thể cho bảng 2.4 Bảng 2.4 Tổng hợp kết tính tốn mơ Giá trị góc bẻ lái (α0) 00 50 100 150 200 250 300 350 4,5 5,0 Giá trị vận tốc đầu vào (m/s) 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 Không xuất xâm thực Chỉ xâm thực mép thoát Xâm thực mép thoát + xâm thực cục mép vào Kết tính tốn mơ cho tốn 3D Tính tốn mơ toán xâm thực bánh lái cho số trường hợp góc bẻ lái Fluent - Ansys, α0 = 00 α0 = 300, với vận tốc tàu V = 7,5 m/s, vị trí đặt bánh lái theo hồ sơ tàu lúc đầy tải Kết tính tốn mơ theo hình 2.9 Phân tích kết nhận theo hình 2.9, nhận xét rằng: - Khi góc bẻ lái α0 = 00, thấy phần trăm pha bánh Hình 2.9 Kết tính tốn mơ phần lái tàu thủy khơng gian xung trăm pha khi: a) α0 = 00; b) α0 = 300 quanh gần 0; - Khi góc bẻ lái thay đổi α0 = 300, phần trăm pha lớn Cụ thể, biên dạng bánh lái mép vào mép có phần trăm pha đạt giá trị gần 100% giảm dần không gian xung quanh 10 Sử dụng phương pháp xâu chuỗi từ profil Phương pháp xâu chuỗi profil, kèm túi cho phép giảm thiểu khối lượng tính tốn Fluent - Ansys Để tiến hành xâu chuỗi profil theo toán 2D, kèm theo kích thước vùng xâm thực nhằm hình thành bánh lái 3D vùng xâm thực Ở bánh lái chia thành 06 profil, đồng thời tính tốn mơ trường hợp góc bẻ lái α0 = 300, vận tốc đầu vào V = 7,5 m/s, với độ sâu đặt profil bánh lái so với mặt thoáng tính theo thực tế Kết tính tốn profil xâu chuỗi hình 2.10 Kết luận chƣơng 2: Chương tập trung tính tốn mơ xâm thực bánh lái tàu thủy đạt kết sau: - Xây dựng mơ hình nghiên cứu sở số liệu bánh lái đồng dạng theo tiêu chuẩn Hình 2.10 Kết xâu chuỗi Froude với bánh lái tàu M/V TAN CANG profil kèm vùng xâm thực bánh FOUNDATION sở toán học tảng CFD với phần mềm chuyên dụng Fluent - Ansys phục vụ việc tính tốn mơ vùng xâm thực bánh lái tàu thủy; - Xây dựng quy trình tính tốn mơ chung cho toán 2D phương pháp phần tử biên Fluent - Ansys; toán 3D phương pháp xâu chuỗi Fluent Ansys Từ thực tính tốn mơ cho đối tượng cụ thể bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION trường hợp góc bẻ lái tốc độ tàu khác - Từ kết tính tốn mơ chi tiết, cụ thể tường minh trường hợp phần trăm pha hơi, phân bố hệ số áp suất, phân bố áp suất, NCS tổng hợp kết giá trị đầu vào mà bánh lái tàu thủy nói chung, tàu M/V TAN CANG FOUNDATION nói riêng bị xâm thực cục mép vào xâm thực mép thoát bánh lái CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA XÂM THỰC BÁNH LÁI ĐẾN LỰC BẺ LÁI TÀU THỦY Chương tập trung nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy với vấn đề sau: Xây dựng quy trình nghiên cứu; Đánh giá ảnh hưởng xâm thực cục mép vào đến lực bẻ lái tàu thủy; Đánh giá ảnh hưởng xâm thực mép thoát đến lực bẻ lái tàu thủy Xây dựng quy trình nghiên cứu NCS thực xây dựng quy trình nghiên cứu tác động xâm thực cục mép vào bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Quy trình nghiên cứu thực thơng qua bước cụ thể theo hình 3.1 11 Hình 3.1 Quy trình đánh giá tác động xâm thực cục tới lực bẻ lái Đánh giá ảnh hƣởng xâm thực cục mép vào đến lực bẻ lái Từ kết chương 2, NCS thực tính tốn mơ với thơng số giá trị đầu vào mà bánh lái tàu thủy xuất xâm thực cục mép vào Kết tính tốn mơ kích thước túi xâm thực cục chu kỳ Kết tính tốn mơ hình ảnh kích thước túi xâm thực cục mép vào tương ứng giai đoạn chu kỳ góc bẻ lái α = 200 vận tốc tàu V = 7,5 m/s, mô tả hình 3.2 a) b) 12 c) d) e) g) Hình 3.2 Phần trăm pha theo bước thời gian khác nhau: a) t1 = 0,0046s, b) t2 = 0,0158s, c) t3 = 0,0664s, d) t4 = 0,0754, e) t5 = 0,083s, g) t6 = 0,0956s Từ hình 3.2 phân tích cụ thể kết nhận được, nhận xét : a - hình ảnh túi xâm thực cục bắt đầu hình thành mép vào profil bánh lái tàu thủy; b - hình ảnh túi từ từ phát triển lớn dần; Hình 3.3 Kết tính tốn mơ hình ảnh dịng chảy ngược 13 c - hình ảnh túi phát triển tới kích thước lớn nhất, bắt đầu xuất dòng chảy ngược, kết nhận thấy rõ nét tường minh theo hình 3.3 Đây nguyên nhân khiến túi bị bóc khỏi bánh lái tàu thủy d - hình ảnh túi xâm thực cục mép vào bị tách dần không gian Tại áp suất chất lỏng lớn bọt khí bị xẹp “nổ”, lúc áp suất nhiệt độ tăng vọt nguyên nhân gây rỗ bề mặt bánh lái ; e - hình ảnh bắt đầu hình thành chu kỳ túi xâm thực cục mép vào bánh lái tàu thủy Mặt khác, từ kết trên, nhận : - Chu kỳ (T) xâm thực cục profil bánh lái trường hợp là: T = 0,0956s - 0,0046s = 0,091s (3.1) 1 hay tần số dao động (f ) là: (3.2) f    11Hz T 0, 091 Hơn nữa, T chu kỳ dao động hệ số lực nâng C L, lực cản CD chu kỳ dao động lực bẻ lái tàu thủy Nghĩa là, bánh lái xuất xâm thực cục bộ, không thay đổi tốc độ tàu giữ nguyên giá trị góc bẻ lái, lực bẻ lái lại dao động với chu kỳ tính tốn, điều nhiều gây khó khăn cho việc điều khiển hướng chuyển động tàu thủy Vậy biên độ dao động bao nhiêu? Đây thông số quan trọng để đánh giá mức độ ảnh hưởng xâm thực cục bộ, đặc biệt chương trình điều khiển tự động việc xác định yếu tố nhiễu ảnh hưởng tới quĩ đạo chuyển động tàu thủy quan trọng Với profil bánh lái có dạng đối xứng, tồn giá trị hệ số CL phụ thuộc vào góc bẻ lái, góc bẻ lái nhỏ (khi sin α  α) tính tốn cơng thức: CL = 2α (với α tính rad) (3.3) Nhưng giai đoạn có xâm thực, hệ số CL biến thiên lúc việc tính tốn xuất phát từ xác định thơng số động lực học dịng chảy bao quanh bánh lái, cụ thể: - Xác định phân bố áp suất biên dạng bánh lái; - Từ đó, xác định áp lực chất lỏng tác động lên bánh lái; - Ghi giá trị CL tương ứng với chu kỳ Hình 3.4 Kết tính tốn giá trị dao động chu kỳ dao động biên CL CD α = 200; V = 7,5 m/s độ dao động tương ứng Tính tốn lực bẻ lái trung bình ảnh hưởng xâm thực cục mép vào bánh lái Lực bẻ lái xác định theo công thức: (3.4) R  C L ARV 2 - Chu kỳ dao động CL lực bẻ lái tính profil thứ i (Ri); 14 - Biên độ dao động Ri tính theo: 1 CL  ARV ÷ CL max  ARV (3.5) 2 Để xác định tổng hợp biên độ lực bẻ lái toàn bánh lái, cần tính phần trăm theo chiều cao bánh lái xuất xâm thực cục Trong đó: L - chiều cao bánh lái (m); k - đoạn xuất xâm thực cục (m) Từ hoàn toàn xác định biên độ dao động lực bẻ lái R Cụ thể minh họa chu kỳ biên độ dao động lực bẻ lái R giai đoạn bánh lái xuất xâm thực cục hình 3.5 Lực bẻ lái trung bình Rtb xác định sau: Rtb  Hình 3.5 Minh họa vùng xâm thực cục mép vào bánh lái CL  CL max   ARV (3.6) Với trường hợp xuất xâm thực cục khác nhận được: - Chu kỳ dao động có giá trị T  0,091 s; - Biên độ dao động CL thể qua bảng 3.1 Hình 3.6 Đồ thị mơ tả lực bẻ lái biến thiên theo thời gian Bảng 3.1 Một số kết tổng hợp tính tốn giá trị CL Góc bẻ lái α0 Hệ số lực nâng CL Góc bẻ lái α0 Hệ số lực nâng CL 20 ÷ 0,950 300 ÷ 2,191 0 25 ÷ 1,643 35 ÷ 2,298 Từ hình 3.5 hình 3.6, phân tích nhận xét rằng: Ảnh hưởng xâm thực cục tới lực bẻ lái thể hai thông số chu kỳ dao động (T) biên độ dao động (A) lực bẻ lái (trong giai đoạn bánh lái bị xâm thực cục bộ) - Chu kỳ dao động tần số dao động (f) khơng phụ thuộc vào tốc độ góc bẻ lái mà phụ thuộc vào loại profil sử dụng làm bánh lái Như tính tốn với profil bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION có T = 0,091s f = 11Hz; - Biên độ dao động phụ thuộc vào tốc độ dịng chảy góc bẻ lái, cụ thể: k (3.7) A  Rtb L Trong đó: Rtb xác định theo cơng thức (3.6); L - chiều cao bánh lái (m), tính theo phần bánh lái có dịng chảy bao quanh; k - đoạn bánh lái xuất xâm thực cục (m), phụ thuộc vào loại profil, góc bẻ lái, tốc độ dòng chảy bao Để xác định giá trị k cho bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION tương ứng với tốc độ dòng chảy 15 bao giá trị góc bẻ lái khác nhau, tiến hành tính tốn mơ cho tốn 3D phần mềm Fluent - Ansys cho trường hợp Kết tính tốn mơ thể qua phân bố phần trăm pha mơ tả theo hình 3.7 a) b) Hình 3.7 Kết tính tốn mơ phần trăm pha bánh lái M/V TAN CANG FOUNDATION V = 7,5 m/s và: a)  = 150, b)  = 350 Phân tích kết nhận theo hình 3.7, nhận xét rằng: - Đối với hình 3.7a: Vệt bọt xâm thực có phần trăm pha lớn đạt 62% (cho ô cột mầu bên trái hình) có diện tích nhỏ (chưa hình thành rõ loại xâm thực cục bộ), trường hợp nhận k = 0, nghĩa lực bẻ lái ảnh hưởng không đáng kể xâm thực cục - Đối với hình 3.7b: Giá trị phần trăm pha lớn đạt 99% hình thành túi xâm thực cục mép vào bánh lái, tỷ lệ chiều dài k so với chiều dài toàn bánh lái là: k  0,187 , hoàn tồn tính tốn cụ thể lực bẻ lái kể đến ảnh hưởng xâm thực L cục trường hợp sau: + Chu kỳ dao động T  0,091 s + Biên độ dao động CL thể qua bảng 3.1 là: ÷ 2,298 + Lực bẻ lái trung bình theo (3.6) bằng: Rtb   CL  CL max   ARV = 387818,6 N với bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION có giá trị AR = 12 m2, thì: + Biên độ dao động lực bẻ lái: A  k Rtb = 145044,1564 N L + Giá trị lực bẻ lái thuộc phần bánh lái không bị xâm thực (Ro):  k Ro  1   Rtb  1  0,187   387818 ,6  315296 ,5218 N  L + Giá trị lực bẻ lái theo thời gian thể hình 3.8 16 Hình 3.8 Đồ thị mô tả giá trị lực bẻ lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION  = 350 V = 7,5 m/s Đánh giá ảnh hƣởng xâm thực mép thoát đến lực bẻ lái tàu thủy Chương chương đưa cụ thể kết tính tốn mơ xâm thực mép bánh lái tàu thủy Thực tiễn nhà thiết kế bánh lái tàu thủy đưa giải pháp làm giảm thiểu tượng Từ năm 2000, tác giả Pyo S Suh J đưa mơ hình bánh lái có đoạn uốn cong, gọi góc “flap” mép Hình 3.9 Mơ hình bánh lái để hạn chế tượng tàu thủy có góc “flap” mơ tả theo hình 3.9 Trong đó: V - vận tốc phương dọc trục sau chân vịt bao bánh lái (m/s); α - góc bẻ lái (độ); Cbot chiều dài dây cung (m); Xf - chiều dài dây cung tính tới điểm uốn (m); αflap - góc uốn phía mép (độ); R - lực nâng (N); D - lực cản (N) Phân tích đánh giá kết tính tốn mơ Xét hai trường hợp với profil bánh lái tàu thủy, trường hợp tạo góc “flap” 150, điểm uốn vị trí có giá trị Xf/Cbot = 0,75, đầu vào góc bẻ lái α = 100, vận tốc dịng tới V = 7,5 m/s bước thời gian 2839 bước thực kỹ thuật tính tốn mơ Hình ảnh profil tính tốn mơ tả theo hình 3.10 Thực tính tốn mơ hai trường hợp hình 3.10, nhận số kết tính tốn mơ phân bố áp suất tĩnh, hệ số áp suất, phân Hình 3.10 Hình ảnh profil bánh lái: bố vận tốc phân bố phần trăm pha từ hình a) khơng có góc flap, b) góc flap 15 3.11 đến hình 3.14 17 Hình 3.11 Kết tính tốn mơ phân bố áp suất tĩnh: a) khơng có góc flap, b) góc flap 15 Hình 3.12 Kết tính tốn mơ phân bố vận tốc: a) khơng có góc flap, b) góc flap 15 Việc tạo góc flap phía mép cải tiến đáng kể đặc tính động lực học dịng chảy bao quanh profil bánh lái Phân tích kết từ hình 3.13, nhận xét rằng: Vùng xâm thực mép thoát khơng có góc flap thể rõ màu đỏ với 100% pha hơi, trường hợp có góc flap (góc flap = 150) gần dập vùng xâm thực Hình 3.13 Kết tính tốn mơ phân bố phần Kết nhận theo hình trăm pha hơi: a) khơng có góc flap, b) góc flap 150 3.14, minh chứng tính hiệu sử dụng góc flap mép thốt, khơng dập xâm thực cịn tăng độ chênh áp suất hai bên bánh lái Với chiều bẻ lái ngược lại góc uốn αflap đảo chiều cho phù hợp, điều dẫn đến cần cấu điều khiển góc flap Trong trường hợp tàu thẳng, góc flap điều chỉnh khơng 18 Hình 3.14 Kết tính tốn mơ hệ số áp suất: a) đường cong màu đen - khơng có góc flap, b) đường cong màu đỏ - góc flap 150 Kết luận chƣơng 3: Trong chương đạt kết cụ thể sau: - Xây dựng mô hình nghiên cứu phương pháp số xây dựng quy trình tính tốn mơ ảnh hưởng xâm thực cục mép vào bánh lái tới lực bẻ lái tương ứng với tổ hợp đầu vào (ni, i) tồn xâm thực cục Từ đó, thực tính tốn mơ cho bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với kết cụ thể chu kỳ, tần số biên độ dao động lực bẻ lái xuất xâm thực; - Xây dựng đồ thị biến thiên lực bẻ lái theo thời gian R(t) kể đến ảnh hưởng xâm thực cục mép vào bánh lái; - Xây dựng mơ hình nghiên cứu phương số quy trình tính tốn mơ ảnh hưởng xâm thực mép Từ thực so sánh với giải pháp có góc flap mép thốt, với kết tính tốn mơ cụ thể nhằm đưa giải pháp khuyến cáo cho trường hợp điều khiển tàu tự động nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tượng CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: PHÂN TÍCH, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Chương tập trung nghiên cứu thực nghiệm giải cụ thể vấn đề sau: Tổng quan nghiên cứu thực nghiệm xâm thực bánh lái tàu thủy; Thiết kế chế tạo phần hệ thống phục vụ nghiên cứu thực nghiệm; Phân tích, so sánh đánh giá kết quả; Kết khảo sát thực địa Tổng quan nghiên cứu thực nghiệm xâm thực bánh lái tàu thủy: Từ nghiên cứu tổng quan hệ thống thực nghiệm liên quan giới nước, NCS kết hợp với nhóm nghiên cứu đưa ý tưởng thiết kế chế tạo phần liên quan đến quan sát tượng xâm thực ảnh hưởng đến lực bẻ lái tàu thủy, nhằm chủ động giải vấn đề nghiên cứu luận án đặt Đây trình kết hợp chặt chẽ vấn đề nghiên cứu luận án tiến sĩ với 02 đề tài KHCN cấp Bộ mà NCS chủ nhiệm đề tài thành viên tham gia Hệ thống thí nghiệm (hình 4.1), Hội đồng Khoa học chuyên ngành đánh giá, theo Quyết định số 1482/QĐ-ĐHHHVNKHCN, ngày 11/8/2017 Hiệu trưởng Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Mặt khác, hệ thống Hội đồng KHCN cấp Bộ Giao thông vận tải đánh giá nghiệm thu ngày 07/11/2017 theo Quyết định số 2890/QĐ-BGTVT Bộ trưởng Bộ Giao thông vận tải 19 với kết xếp loại A (xuất sắc) Trong luận án mô tả chi tiết nguyên lý chung, thơng số kỹ thuật, tính năng, ưu nhược điểm quy trình vận hành hệ thống Các số liệu đầu vào quy đổi theo tiêu chuẩn đồng dạng Froude, cụm chân vịt bánh lái thiết kế, chế tạo đồng dạng theo hồ sơ tàu M/V TAN CANG FOUNDATION Sử dụng với thông số vận hành vòng quay chân vịt thực, theo hồ sơ M/V TAN CANG FOUNDATION là: nt = {90; 100; 110; 120; 130; 140; 150} (rpm) Hình 4.1 Hệ thống nghiên cứu thí nghiệm Tương ứng với vận tốc thực, xác định theo công thức: (Vp)t = nth (4.1) Trong đó: P - bước chân vịt, P = 2,459 m; h - bước tiến thật, h = 0,2P Khi đó, giá trị vận tốc thực tương ứng với thơng số vịng quay là: (Vp)t  {4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,5; 7,0; 7,5} (m/s) Tuy nhiên, hệ thống có số tốc độ quy đổi ntn = {380; 410; 445; 475} (rpm), tương ứng với vòng quay chân vịt nt = {120; 130; 140; 150} (rpm), nên tiến hành thí nghiệm hệ thống, thực với số vịng quay Góc bẻ lái chia thành trường hợp là: α0 = {00, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350} Như vậy, có 32 trường hợp tiến hành thí nghiệm, kết hợp với kết tính tốn mơ bảng 2.4, tổng hợp phương án nghiên cứu thực nghiệm bảng 4.1 Bảng 4.1 Tổng hợp giá trị đầu vào xuất xâm thực bánh lái Giá trị vận tốc đầu vào (m/s) Giá trị góc bẻ lái (α0) 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 Không xâm thực 00 50 100 Không nghiên cứu Xâm thực mép thoát 150 thực nghiệm 20 250 Xâm thực mép thoát xâm thực cục mép vào 300 35 Một số kết tính tốn: Xét trường hợp đặc trưng nhất, góc bẻ lái  = 350 số vòng quay chân vịt ntn = 475 rpm (tương ứng nt = 150 rpm) lớn Rõ ràng, việc ứng dụng CFD tính tốn mơ chiều dài túi xâm thực cục chương chương phần trăm pha khơng gian tính tốn (dịng chảy bao quanh bánh lái), kết hợp nghiên cứu thực nghiệm hệ thống cho hình ảnh vùng xâm thực tương đồng (hình 4.2) 20 Hình 4.3 mơ tả kết so sánh tính tốn mơ CFD hệ thống thí nghiệm q trình quan sát xối bọt khí tượng xâm thực: Từ điểm làm việc có xâm thực cục mép vào bánh lái kết hợp kết tính tốn mơ chương 2, chương tổng hợp theo hình 4.4, Hình 4.2 So sánh kết tính tốn mơ chiều dài túi nhận xét rằng: xâm thực với profil khảo sát hệ thống thí nghiệm - Việc ứng dụng CFD với phần mềm Fluent - Ansys để tính tốn mơ xuất xâm thực cục điểm làm việc góc bẻ lái vận tốc nhỏ so với nghiên cứu thực nghiệm; - Ngược lại việc sử dụng CFD cho kết có xâm thực cục vận tốc V = 7,5 m/s góc bẻ lái α > 250 α > 200 nghiên cứu thực nghiệm Kết tính tốn giá trị lực bẻ lái trung bình ba phương pháp sau: - Theo công thức thực nghiệm (1.1); - Theo tính tốn mơ chương 3; - Đo đạc hệ thống thí nghiệm, thể thông qua giá trị áp suất đồng hồ đo Hình 4.3 So sánh kết quan sát xối bọt khí tượng xâm thực: a) tính tốn mơ CFD; b) hệ thống thí nghiệm 21 Từ kết tính tốn giá trị lực bẻ lái R, theo ba phương án mô tả theo bảng 4.2 Tương ứng với tổ hợp (ni, αi) có giá trị thứ tự từ xuống, gồm: Kết tính tốn giá trị theo cơng thức thực nghiệm; tính tốn mơ CFD với phần mềm Fluent - Ansys; thực nghiệm hệ thống thí nghiệm Từ kết bảng 4.2, xây dựng đồ thị giá trị lực bẻ lái theo hình 4.5, nhận xét rằng: - Đồ thị mô tả giá trị lực bẻ lái Hình 4.4 Tổng hợp kết xuất xâm thực trung bình dạng đường thẳng tỷ bánh lái khảo sát CFD thí nghiệm lệ thuận với giá trị góc bẻ lái Đồ thị giá trị Rthực nghiệm nằm phía đồ thị lực bẻ lái Rmơ phỏng, cuối đồ thị Rthí nghiệm; - Ba đường đồ thị bám sát Khi góc bẻ lái tăng dần (bắt đầu từ α = 200 trở lên), xuất rõ chênh lệch, chênh lệch không lớn Bảng 4.2 Tổng hợp kết tính tốn giá trị lực bẻ lái theo ba phương pháp Góc bẻ lái (α0) Vịng 0 0 quay 10 15 200 250 300 350 (rpm) Lực bẻ lái trung bình Rtb (N) 380 410 445 475 0 0 0 0 0 0 36696,33 37166,79 32742,34 43067,22 43831,72 38112,96 49947,78 52253,06 45972,63 57338,02 58925,84 51254,74 73113,66 74051,01 65154,87 85807.0 87330,2 75102,7 99515,8 104108,8 92646,11 114240,1 117403,67 103304,63 108975,1 110372,22 94909,91 127894,4 130164,7 110629,3 148327,2 155173,07 131887,04 170273,6 174988,87 148729,7 144008,1 145854,36 126882,97 169009,4 172009,56 151357,91 196010,9 205057,56 180440,15 225012,6 231243,72 201171,4 177946,1 180227,46 154985,21 208839,5 212546,7 189155,93 242204,4 253383,06 220433,2 278040,8 285740,39 245726,31 210531,3 213230,42 189755,78 247081,8 251467,86 216251,61 286556,4 299782,08 257879,91 328955,1 338064,6 290725,03 241515,8 244612,2 215248,55 283445,5 288477,1 250964,98 328729,7 343901,8 292305,84 377368,4 387818,6 341269,83 Chứng tỏ rằng: Với tỷ lệ chênh lệch biến thiên từ 2,69% ÷ 12% theo ba phương pháp khác (xét trường hợp góc bẻ lái lớn vịng quay chân vịt lớn nhất), kết tính tốn mơ kết nghiên cứu thực nghiệm hệ thống đảm bảo độ tin cậy Đối với trường hợp cịn lại hồn tồn phân tích, đánh giá so sánh tương tự Mặt khác, NCS tập thể hướng dẫn thành viên khác thực khảo sát thực địa tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, tàu cập cảng hành trình tuyến luồng Hải Phòng vào tháng 12/2015 tháng 7/2017 Hơn nữa, tháng 5/2016 tàu M/V TAN CANG FOUNDATION lên đà sửa chữa định kỳ Nhà máy Đóng tàu Ship Marine Sài Gòn, khảo sát nghiên cứu cụ thể tượng xâm thực bánh lái Kết luận chƣơng 4: Tập trung nghiên cứu thực nghiệm, thực phân tích, so sánh đánh giá nhằm minh chứng cho số kết đạt luận án, cụ thể: 22 - Hệ thống hóa hệ thí nghiệm xâm thực bánh lái tàu thủy giới liên quan đến vấn đề nghiên cứu đề tài luận án; - Thiết kế chế tạo phần nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến xâm thực bánh lái tàu thủy hệ thống thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái R hệ thống thí nghiệm Hình 4.5 Tổng hợp so sánh kết tính Kết thí nghiệm toán lực bẻ lái theo ba phương pháp khác so sánh, phân tích đánh giá với kết tính tốn mơ kết tính tốn theo cơng thức thực nghiệm Từ đó, minh chứng cho số kết tính tốn mơ xâm thực bánh lái ảnh hưởng tới lực bẻ lái tương ứng với tổ hợp vận tốc dịng chảy bao quanh bánh lái góc bẻ lái khác Trên sở rút rằng, kết tính tốn theo phương pháp đảm bảo độ tin cậy; - Nghiên cứu khảo sát thực địa tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, trường hợp cụ thể, đặc biệt tàu lên đà để làm rõ ý nghĩa thực tiễn luận án KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Bằng phương pháp nghiên cứu thực đề tài luận án, luận án đạt mục đích nghiên cứu đặt ra, với kết cụ thể sau: 1.1 Hệ thống hóa sở lý luận tượng xâm thực nói chung xâm thực bánh lái tàu thủy nói riêng Hơn nữa, xây dựng sở lý luận lực bẻ lái tàu thủy giai đoạn xâm thực bánh lái tàu thủy 1.2 Xây dựng mơ hình nghiên cứu sở toán học tảng CFD với phần mềm Fluent-Ansys để tính tốn mơ vùng xâm thực, cụ thể: - Xây dựng mơ hình nghiên cứu sở số liệu bánh lái đồng dạng theo tiêu chuẩn Froude với bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION; - Xây dựng quy trình tính tốn mơ chung cho toán 2D phương pháp phần tử biên Fluent - Ansys toán 3D phương pháp xâu chuỗi Fluent Ansys Từ đó, thực tính tốn mơ cho đối tượng cụ thể bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION trường hợp góc bẻ lái tốc độ tàu khác Từ kết tính tốn mơ chi tiết trường hợp, tổng hợp kết giá trị đầu vào mà bánh lái tàu thủy nói chung, tàu M/V TAN CANG FOUNDATION nói riêng, bị xâm thực cục mép vào xâm thực mép bánh lái 23 1.3 Xây dựng mơ hình nghiên cứu quy trình tính tốn mơ ảnh hưởng xâm thực cục mép vào xâm thực mép thoát bánh lái tới lực bẻ lái tàu thủy, tương ứng với tổ hợp đầu vào (ni, i) tồn xâm thực Từ đó, thực tính tốn mơ cho bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION với kết cụ thể: - Chu kỳ T = 0,091s; Tần số f =11Hz Biên độ dao động lực bẻ lái A2 k Rtb L - Xây dựng quy luật biến thiên lực bẻ lái theo thời gian R(t) có xâm thực cục mép vào bánh lái Từ đó, tính tốn mơ cho bánh lái tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, với trường hợp đặc trưng góc bẻ lái  = 350 vận tốc V = 7,5 m/s; - Thực so sánh với giải pháp có góc flap mép thốt, với kết tính tốn mơ cụ thể, tường minh thơng qua giá trị: Phân bố phần trăm pha hơi, phân bố áp suất, phân bố vận tốc, phân bố hệ số áp suất Từ phân tích, đánh giá đưa giải pháp khuyến cáo cho trường hợp điều khiển tàu tự động nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tượng xâm thực mép thoát bánh lái tàu thủy 1.4 Thiết kế chế tạo phần nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến xâm thực bánh lái tàu thủy hệ thống thí nghiệm phân tích, đánh giá ưu nhược điểm hệ thống 1.5 Thực nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng số kết đạt luận án - Đã thí nghiệm ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái R hệ thống thí nghiệm Phân tích, so sánh đánh giá chi tiết kết nhận theo phương pháp Từ đó, minh chứng cho số kết tính tốn mơ xâm thực bánh lái ảnh hưởng tới lực bẻ lái tương ứng với tổ hợp tốc độ dòng chảy bao quanh bánh lái góc bẻ lái khác Trên sở rút rằng, kết tính tốn theo phương pháp đảm bảo độ tin cậy - Khảo sát thực địa tàu M/V TAN CANG FOUNDATION, trường hợp cụ thể, quan sát khảo sát thực tế tàu lên đà sửa chữa định kỳ, để làm rõ ý nghĩa thực tiễn luận án KIẾN NGHỊ Kiến nghị luận án vấn đề cần quan tâm hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể: 2.1 Từng phận, thiết bị hệ thống thí nghiệm thiết kế chế tạo có chứng nhận độ xác thiết bị nhà sản xuất, hệ thống chưa đánh giá độ xác chưa có điều kiện để so sánh với hệ thống giới Tuy nhiên, kết nghiên cứu thí nghiệm hệ thống khơng ảnh hưởng nhiều, luận án sử dụng phương pháp tiếp cận phân tích, đánh giá so sánh kết tính tốn theo phương pháp khác Từ tính tốn rút chênh lệch giá trị lực bẻ lái tàu thủy phương pháp 2.2 Trong điều kiện cho phép, NCS nhóm nghiên cứu bước cải thiện số hạn chế hệ thống thiết kế chế tạo, như: Trang bị hệ thống dẫn động có dải đầu vào rộng hơn, thiết bị quang học đại hơn, cảm biến áp suất có độ nhạy khả lưu trữ liệu theo thời gian tốt hơn,… nhằm giải vấn đề nghiên cứu có độ xác 2.3 Từng bước mở rộng cho nhiều toán nghiên cứu thực nghiệm khác chuyên ngành khoa học hàng hải hay chuyên ngành gần có liên quan, hệ thống thí nghiệm 24 ... xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy, cụ thể: Tình hình nghiên cứu giới nước liên quan đến luận án; Cơ sở lý luận xâm thực bánh lái tàu thủy; Lực bẻ lái giai đoạn xâm thực bánh lái tàu thủy. .. trung nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng xâm thực bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy với vấn đề sau: Xây dựng quy trình nghiên cứu; Đánh giá ảnh hưởng xâm thực cục mép vào đến lực bẻ lái tàu thủy; Đánh... Đánh giá ảnh hưởng xâm thực mép thoát đến lực bẻ lái tàu thủy Xây dựng quy trình nghiên cứu NCS thực xây dựng quy trình nghiên cứu tác động xâm thực cục mép vào bánh lái đến lực bẻ lái tàu thủy Quy